深入浅出计算机网络

一、网络基础

计算机网络是将多台计算机互相连接起来，实现资源共享和通信的技术。网络通讯的基础是数据传输，网络通讯中的数据传输是通过将数据拆分成若干个数据包进行传输实现的。数据包的传输需要遵循一定的协议，例如TCP/IP协议，UDP协议等协议。

TCP/IP协议是计算机网络中最基本的协议之一，其开发是基于美国国防部的研究项目ARPANET。TCP/IP协议分为四层，分别是应用层、传输层、网络层和数据链路层。常见的应用层协议有HTTP、FTP和SMTP等，传输层协议有TCP和UDP协议。

TCP协议是一种可靠的协议，其主要目的是保证数据的可靠传输，通过使用序号、确认应答和重传等机制实现可靠传输。而UDP协议是一种不可靠的协议，其主要目的是提高传输速度，通常在音视频传输等场景中使用。

二、物理层

物理层是计算机网络协议栈中的最底层，主要负责数据的物理传输。计算机使用网卡将数据从计算机中发送到计算机网络中。当数据到达网络时，数据经过一系列硬件设备，例如交换机等传输到目标计算机。

在物理层中，主要涉及到电子信号、光信号以及电缆等硬件设备。常见的传输介质有双绞线、光纤等，不同的传输介质有不同的传输速率和传输距离。例如，双绞线的传输距离一般在100米以内，而光纤则可以传输数十公里甚至更远的距离。

三、网络层

网络层是计算机网络协议栈中的第三层，主要负责数据包的传输和路由。当数据包离开源计算机时，在网络层中会根据路由表选择最合适的路径进行传输。路由器是网络层中的重要设备，其主要功能是实现网络之间的相互连接和数据路由。

IP地址是网络层的重要概念，其可以唯一标识一台计算机在网络中的位置。IP地址分为IPv4和IPv6两个版本，IPv4由32位二进制数组成，IPv6由128位二进制数组成。由于IPv4地址资源的紧张，目前逐渐推广使用IPv6地址。

// C++ 代码示例：获取本机IP地址
#include 
#include 
   
#include 
    
#include 
     
#include 
      
#include 
       
        #include 
        
         int main() { struct ifaddrs *ifAddrStruct = NULL; struct ifaddrs *ifa = NULL; void *tmpAddrPtr = NULL; char addressBuffer[INET_ADDRSTRLEN]; getifaddrs(&ifAddrStruct); for (ifa = ifAddrStruct; ifa != NULL; ifa = ifa->ifa_next) { if (!ifa->ifa_addr) continue; if (ifa->ifa_addr->sa_family == AF_INET) { struct sockaddr_in *in = (struct sockaddr_in *)ifa->ifa_addr; tmpAddrPtr = &in->sin_addr; inet_ntop(AF_INET, tmpAddrPtr, addressBuffer, INET_ADDRSTRLEN); printf("IP address: %s\n", addressBuffer); } } if (ifAddrStruct != NULL) freeifaddrs(ifAddrStruct); return 0; }

四、传输层

传输层是计算机网络协议栈中的第二层，主要提供端到端的通信服务和传输协议。传输层的协议有TCP协议和UDP协议等。TCP协议是一种可靠的协议，其主要功能是保证端到端的可靠传输，实现流量控制和拥塞控制等功能。而UDP协议是一种不可靠的协议，其主要功能是提高传输速率。

在TCP协议中，每个TCP报文段都包含了源端口和目标端口、序列号和确认号、窗口大小等信息。序列号和确认号是TCP协议实现可靠传输的关键，通过序列号和确认号可以保证数据的有序传输和数据的正确性。而窗口大小则是TCP协议实现流量控制和拥塞控制的重要机制。

// Python 代码示例：使用socket实现TCP通信
import socket

HOST = '127.0.0.1'  # Server IP
PORT = 65432        # Server Port

with socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM) as s:
    s.connect((HOST, PORT))
    s.sendall(b'Hello, world')
    data = s.recv(1024)

print('Received', repr(data))

五、应用层

应用层是计算机网络协议栈中的最上层，主要负责应用程序之间的通信。常见的应用层协议有HTTP、FTP、SMTP等。其中，HTTP协议是Web应用中最为常用的一种协议，主要用于Web服务器与客户端之间的通信。

HTTP协议采用“请求-响应”模式，客户端向Web服务器发送HTTP请求，服务器响应HTTP响应。HTTP请求和响应分别由请求行、请求头和请求体以及响应行、响应头和响应体组成。

// Java 代码示例：使用HttpURLConnection发送HTTP请求
import java.net.HttpURLConnection;
import java.net.URL;
import java.io.*;

public class HttpExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            URL url = new URL("https://httpbin.org/get");
            HttpURLConnection conn = (HttpURLConnection) url.openConnection();
            conn.setRequestMethod("GET");

            BufferedReader in = new BufferedReader(new InputStreamReader(conn.getInputStream()));
            String inputLine;
            while ((inputLine = in.readLine()) != null) {
                System.out.println(inputLine);
            }
            in.close();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}